科学思维方法教育在大学物理“牛顿环”实验中的应用
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摘要：大学物理实验是理工科学生必修的一门基础课程。本文分析了大学物理实验课程的现状，并介绍了科学思维方法教育在“牛顿环”实验中的具体应用。
关键词：大学物理实验;科学思维方法;“牛顿环”
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）13-0163-02
大学物理实验课是教育部确定的六门必修的基础课程之一。大学物理实验在培养大学生科学思维方法、实验技能、创新精神，提高学生科学素养、分析与研究能力等方面具有其他课程不能替代的作用[1]。
一、大学物理实验课程的现状
大学物理实验是大学生本科阶段的第一门实践性课程，是培养学生动手能力、学习科学思维方法的重要基础课[2]。目前由于大学物理实验课程学时有限，通常在实验课堂上，教师首先将实验原理直接讲授给学生，然后向学生演示实验操作过程。学生机械地重复实验过程，实验结束后甚至都不明白此次实验的目的和意义[3]。面对枯燥的重复，学生感受不到实验的乐趣，更谈不上科学思维方法的形成和科学素养的培养[4]。法国科学家笛卡尔说过：“最有价值的知识是关于方法的知识。”科学方法教育是培养学生科学素养的有效途径。大学物理实验分为基础性实验、综合性实验、设计性实验和创新性实验。基础性实验可以使学生掌握物理实验的基本方法和实验数据的处理方法，是大学物理实验课程中最重要的一部分。我们以基础性实验“牛顿环”为例，介绍科学思维方法教育在大学物理实验课堂上的具体应用。
二、科学思维方法教育在“牛顿环”实验中的具体应用
1.引入物理学史。任何一个实验都有一定的历史背景，教师可以从这个实验的历史背景讲起，抓住学生的好奇心，激发学生的求知欲。虽然“牛顿环”实验原理并不复杂，但不少物理学家从不同角度进行了大量深入的研究。“牛顿环”实验推动了光学理论特别是波动理论的确立和发展。牛顿首先发现了“牛顿环”现象，并且找出了环的直径分布规律，但由于牛顿信奉微粒说，所以始终无法正确地解释这个现象。杨氏利用“牛顿环”装置提出了相位跃变理论，接着阿喇戈检验了牛顿环的偏振状态，对微粒说提出了质疑。随后斐索利用这个装置测定了钠黄双线的波长差[5]。教师清楚明了地把实验的历史背景和发展过程告诉学生，可以让学生对这个实验有清楚的感性认识[6]。同时，教师向学生展示科学研究的艰辛历程和不同学派之间的争论，可以使学生进一步掌握科学方法，引导学生发现问题和解决问题[7，8]。
2.数学方法。“牛顿环”实验的目的之一是测量平凸透镜的曲率半径。在实验操作之前，教师和学生一起推导凸透镜曲率半径和牛顿环直径的定量关系。公式推导的过程可以锻炼学生的数学逻辑思维，帮助学生深入理解物理概念。数学方法包括极限法、比值定义法、微积分法、分离变量法、旋转矢量法等。教师引导学生学会用数学的方法研究物理问题，利用数学工具从简单的规律入手去解决复杂的实际问题。
3.放大测量法。“牛顿环”实验通过读数显微镜将被测量的“牛顿环”形成放大的像以便观察测量。这种方法叫放大测量法，它可以细分为累计放大法、机械放大法、电子学放大法和光学放大法。放大测量法在物理实验中应用广泛，其中读数显微镜属于光学放大法，而电学实验中常用的三极管电路则属于电子学放大法。教师在引导学生理解读数显微镜的原理，教会学生正确、快速掌握仪器使用规则的基础上，介绍物理学中的“放大”思想。
4.观察法。观察是人类生活学习的主要活动之一，一切科学研究都始于观察。教师首先引导学生观察实验设备的组成及“牛顿环”实验现象，然后教师引导学生有目的地观察干涉条纹的特点，观察“牛顿环”中心的暗斑，观察之后引導学生思考为什么干涉图样是明暗相间的同心圆环？为什么环的中心不是一个点？为什么中心不是亮斑？教师引导学生在观察中思考，培养学生的观察能力，推动学生主动学习。
5.探究法。学生在熟悉实验仪器操作之后，要自主探究完成整个实验过程。教师进行指导时，不能动手去帮学生操作实验，不能仅简单地解决学生当前的困难，而是要注意对学生进行物理方法的引导，鼓励学生自主探究。在实验过程中，一部分学生调不出清晰的同心圆环，还有一些学生虽然能调出来，但操作盲目。教师不能只帮助学生调出干涉条纹，还需要引导学生思考如何调出最清晰的、大小适中、位置正中的“牛顿环”。学生自主探究，通过思考、实践，有计划、有目的地研究探索，逐步找到问题所在。在学生自主探究的实验过程中，潜移默化地提高了分析问题和解决问题的能力，增强了对实验课程的兴趣。
6.列表法、逐差法。为了减少误差，我们至少记录了十个环的位置。实验操作时要求学生缓慢转动测微鼓轮，使目镜中的十字叉丝依次与第30，29，28，…，16级环外侧相切，顺次记下读数[9]。在数据记录时，我们采用列表法。将数据列成表，可以简单明确地表示物理量之间的对应关系，同时易于检查数据和发现问题。在处理数据时，我们采用逐差法将表中测量及计算得到的环直径两两一组，得出五组数值，利用公式计算曲率半径的平均值。逐差法可以将测量的全部数据信息充分使用，更能反映多次测量对减少误差的作用。除了列表法和逐差法，大学物理实验数据处理还常用到作图法和最小二乘法。
7.分析归纳法。实验结束后，教师要引导学生对实验数据进行分析。实际凸透镜的曲率半径与实验测量计算得到的数据相比较肯定会存在差异，学生要如实记录数据和分析结果，教师要引导学生思考误差到底在哪里，归纳实验环节的重点和难点。学生通过认真思考，归纳整理，提高分析能力。
三、结语
综上所述，我们把培养科学思维方法贯穿于大学物理实验教学之中。教师在实验教学中加入科学方法的内容，加强物理科学思维方法的教育，引导学生科学思考，使学生对大学物理实验更有兴趣，培养学生独立分析和解决问题的能力。 參考文献：
[1]张欣，牟中飞.加强大学物理实验教学中的物理科学方法教育[J].科技创新导报，2009，（25）：148-149.
[2]张杰.大学物理实验教学的有效性措施探讨[J].现代企业教育，2015，（1）：461.
[3]陈中钧，俞眉孙.大学物理实验教学的思考与建议[J].实验技术与管理，2014，（4）：186-188.
[4]张春玲.基于物理规律探索的大学物理实验教学方法初探[D].武汉：华中师范大学硕士学位论文，2014.
[5]肖枚英，刘战存.牛顿环实验及其历史作用[J].物理实验，1997，（1）：44-45.
[6]肖立娟.大学物理实验教学的现状与教学改革的探究[J].大学物理实验，2015，（6）：114-116.
[7]张德启，钱懿华，吴永熙.大学物理教学中科学素质的培养[J].高等理科教育，2001，（5）：56-60.
[8]宋丽影.物理学史在工科大学物理实验中的教育功能研究[D].合肥工业大学硕士学位论文，2015.
[9]李士军.大学物理实验[M].中国农业出版社，2011.
The Application of Scientific Thinking Method Education in the "Newton's Rings" Experiment of University Physics
FAN Juan-juan1，YU Xiu-ling1，PAN Zhen-dong2
（1.College of Information Technology，Jilin Agricultural University，Changchun，Jilin 130118，China;
2.High School Attached to Northeast Normal University，Changchun，Jilin 130022，China）
Abstract：University physics experiment is a compulsory basic course for science-engineering students.This paper analyzes the current situation of the university physics experiment course，and introduces the specific application of the scientific thinking method education in the "Newton's rings" experiment of university physics.
Key words：university physics experiment;scientific thinking method;"Newton's rings"
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